科技日报记者 张梦然
人们所知道的绝大多数关于植物的基本原理知识，都是在一种你可能从未听说过的植物——拟南芥中首次发现的。
拟南芥，也称为水芹，是一种小型开花杂草，却塑造了人们所知的大部分植物生物学。作为过去半个世纪植物研究中的代表性物种，拟南芥让人们认识到植物如何对光作出反应，哪些激素控制着植物的行为，为何有些植物根系深长、而有些则浅而宽展。尽管拟南芥在全世界植物生物学家中“享有盛誉”，但其完整生命周期中的许多细节，却始终成谜。
如今，美国索尔克生物研究所的科学家建立了首个覆盖拟南芥整个生命周期的遗传图谱，利用高精度的单细胞和空间转录组学技术，系统记录了从一粒种子萌发，到成熟植株期间40多万个细胞的基因表达模式。
这一公开资源将为未来研究植物细胞类型、发育阶段及其对环境压力的响应提供前所未有的信息支持。其相关成果已发表在近期《自然·植物学》杂志上，有望显著推动植物生物技术、农业和环境科学的发展。
绘制植物的基因表达图谱
在作为模式植物的几十年间，拟南芥经历了无数实验。科学家们持续致力于解码其基因组，并绘制出不同组织和器官中各类细胞的基因表达图谱。借助这些局部图谱，人们得以逐步揭示控制植物各部位身份与功能的关键基因。
其中，单细胞RNA测序成为构建细胞图谱的核心工具。该技术不直接分析DNA，而是检测基因组的表达产物——RNA分子，从而精准识别哪些基因在特定细胞中被激活，以及其表达水平的高低。由于生物体所有细胞共享同一套遗传密码，细胞类型的区分依赖于其独特的基因表达模式，单细胞RNA测序因此成为识别和分类细胞类型的有力手段。
然而，传统方法存在明显局限：科学家必须将组织解离为单个细胞，导致原本的空间结构被破坏。这意味着虽然能获知“有哪些细胞”，却难以回答“它们在哪儿”以及“如何组织”。
为突破这一瓶颈，索尔克生物研究所团队将单细胞RNA测序与空间转录组学相结合，实现了从“碎片化图谱”向“全景式地图”的跨越。
更先进技术带来更完整图谱
空间转录组学的最大优势在于保留了植物组织的原始结构。科学家无需破坏细胞的空间排列，即可在整个器官甚至整株植物中，精确定位基因表达的位置。这使得他们能够在真实的组织背景下，同时解析多种细胞类型的身份、状态及其相互关系。
通过整合单细胞与空间转录组数据，研究团队成功构建了覆盖拟南芥10个关键发育阶段——从地下种子到开花成年植株的完整基因表达图谱，共分析了超过40万个细胞。这一图谱揭示了单一生物体内细胞类型的惊人多样性，以及发育过程中基因调控网络的动态演变。
研究论文共同第一作者、博士后研究员纳塔奈利·伊洛兹-艾力亚兹表示：“你不妨想象一下，在植物真实的组织环境中，能够同时观察多达一千个基因的活跃位置。这不仅本身令人着迷，还直接引导我们发现了此前未知的、参与种荚发育的新基因。这些数据中，还有更多宝藏等待挖掘。”
新图谱催生更多新发现
通过覆盖整个生命周期而非单一时间点的观察，科学家首次系统揭示了调控植物发育的复杂的动态分子机制。他们不仅识别出大量在特定细胞类型中特异表达的新基因，还为这些基因的功能研究提供了清晰的时空线索。
这项研究将成为整个植物生物学领域产生新发现的强大工具。团队成员为此新开发了用户友好型网络应用程序，使全球植物科学界只需访问网站，即可轻松查询和使用这一生命周期图谱。
团队成员称，他们已迫不及待想看到它将催生哪些新的单细胞基因组研究。他们希望，这一目前可在线免费获取的资源，不仅能深化科学界对植物细胞发育机制的理解，还将助力解析植物如何应对遗传变异和环境压力，从而全面推动植物生物学、作物改良与生态适应研究的未来发展。
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